专家系统综述

专家系统综述摘要综述专家系统的基本概念、主要结构、开发方法以及在机械制造领域的应用情况。

关健词：专家系统综述1、什么是专家系统人工智能(Artifieial Inteligenee简称Al)被誉为本世纪的三大科学技术成就之一，受到了世界各国的普遍重视。

而60年代中期作为人工智能的一个应用领域的专家系统(Expert System简称ES)的出现，使得人工智能的研究从实验室走向了现实世界。

所谓专家系统实际上是一个(或一组)能在某特定领域内.以人类专家水平去解决该领域中困难问题的计算机程序。

或者说，专家系统是这样一个系统：a.专家系统处理现实世界中提出的需要由专家来分析和判断的复杂问题。

b.专家系统利用专家推理方法的计算机模型来解决间题，并且可以得到和专家相同的结论。

由于专家系统的功能主要依赖于大量的知识，这些知识均存在知识库中，通过推理机按一定的推理策略去解决问题，所以它也被称大知识基系统。

专家系统是研究用解决某专门问题的专家知识来建立人机系统的方法和技术。

由于知识在专家系统中起着决定性作用，所以一般将建立专家系统的工作过程称为知识工程。

2、专家系统的基本结构及分类2.1专家系统的墓本结构一个完整的专家系统结构由图1所示的六个部分组成。

其中数据库、知识库、推理机和人机接口是必不可少的部分。

解释部分、知识获取部分是期望部分。

下面分别介绍这些部分。

a.知识库知识库是领域知识的存储器。

它存储专家经验、专门知识与常识性知识，是专家系统的核心部分。

知识库可以由事实性知识和推理性知识组成。

知识是决定一个专家系统性能的主要因素。

一个知识库必须具备良好的可用性、确实性和完善性。

要建立一个知识库，首先要从领域专家那里获取知识即称为知识获取。

然后将获得的知识编排成数据结构井存入计算机中，这就形成了知识库，可供系统推理判断之用。

b.数据库数据库用于存储领域内的初始数据和推理过程中得到的各种信息。

数据库中存放的内容是该系统当前要处理的对象的一些事实。

c.推理机推理机是用来控制、协调整个系统的。

它根据当前输入的数据即数据库中的信息，利用知识库中的知识，按一定的推理策略，去解决当前的问题.并把结果送到用户接口。

在专家系统中，推理方式有：正向推理、反向推理、混合推理。

在上述三种推理方式中，又有精确与不精确推理之分。

因为专家系统是模拟人类专家进行工作，所以推理机的推理过程应与专家的推理过程尽可能一致。

d.人机接口人机接口是专家系统与用户通信的部分。

它既可接受来自用户的信息，将其翻译成系统可接受的内部形式，又能把推理机从知识库中推出的有用知识送给用户。

e.解释部分解释部分能对推理给出必要的解释。

这给用户了解推理过程，向系统学习和维护系统提供了方便。

f.知识获取部分知识获取部分为修改、扩充知识库中的知识提供手段。

这里指的是机器自动实现的知识获取。

它对于一干专家系统的不断完善、提高起着重要的作用。

通常，它应具备能删除知识库中不需要的知识及把需要的新知识加入知识库中的功能。

最好还具有能根据实践结果，发现知识库中不合适的知识以及能总结出新知识的功能。

知识获取部分实际上是一种学习功能。

专家系统的一个重要特征是知识库与推理机分离，系统允许在运行过程中不断修改知识，增加新知识，使系统性能不断提高。

综上所述可知，一个专家系统不仅能提供专家水平的建议与意见，而且当用户需要时，能对系统本身行为作出解释，同时还有知识获取功能。

专家系统的工作特点是运用知识进行推量，因此知识获取(包括人工方式的知识获取和机器学习)、知识表示和知识运用是建造专家系统的三个核心部分。

另外专家系统强调符号处理，并希望有一个理想的人机接口，做到专家或用户能以一种接近自然语言的语言甚至口语形式同系统进行信息的交流。

这些都是传统程序所不具备的特点。

如下表所示：表1专家系统和传统程序的比较3、专家系统开发工具专家系统开发工具很多，但从专家系统的实现途径看大致可划分为四类：即用人工智能系统开发的通用程序设计语言、专用知识表示和处理语言、专家系统外壳和专家系统开发工具箱(环境)。

3.1通用人工智能语言目前最流行的人工智能语言是LISP、PROLOG和Smalltalk。

它们都是适用于实现专家系统的程序设计语言，且各用其特点。

LISP是函数型程序设计语言，具有很强的符号和数据处理能力，其程序有可能随着执行而不断被改进和完善，因而具有一定的自学能力和智能性。

PROLOG是一种用逻辑来进行程序设计的计算机语言，具有很强的逻辑推理能力，很适合于表达人类的思维和推理规则.这是PROLOG语言在人工智能领域与LISP一样被广泛应用的原因。

Smlltalk语言是最有代表性的一个面向对象的程序设计语言，它对知识的描述方式的最大特点是具有很好的模块性，并且类间接口清楚，便于分工开发和调试。

由于面向对象的方法具有众多的优点，近年来越来越受到软件界的重视。

3.2专用知识表示和处理语言知识的处理虽然也包含着对数据的处理，但主要是符号处理和逻辑处理，使用通用的人工智能程序设计语言来表示知识和处理知识，编程工作量大，需要较高的编程技巧。

为解决这些困难和减少工作量，人工智能学者又开发了更专用的知识表示和处理语言，如有代表性的FRL、OPSS和KEE等。

它们为知识表示提供了固定模式，应用很方便。

3.3专家系统外壳为了减少建造专家系统时的编程工作量，在知识表达、推理或执行方式、解释机构以及学习机构等方面预先形成基本固定的模式，类似于有了一个“空架子”，这个“空架子”就叫做专家系统外壳。

专家系统外壳的出现使专家系统的开发经费大幅度降低，开发速度大为提高。

专家系统外壳按其用途可分为三类：基于规则的外壳系统、归纳型外壳系统和基于混合知识表示的外壳系统。

3.4专家系统开发工具箱为了克服前三种开发工具的缺点，软件专家又设计了专家系统开发工具箱。

该工具箱给开发者提供的既不仅仅是一个专家系统外壳，也不仅仅是简单的一种开发语言，而是方便灵活、集成组织的、完整的一套工具。

在专家系统的整个开发过程中都有较方便适用的工具可供用户选择。

4、如何建立专家系统建立专家系统通常包括以下几个步骤。

(1)知识获取知识获取就是把解决问题所用的专门知识从某些知识来源变换为计算机程序，知识获取由计算机方面的工程师—知识工程师来完成。

(2)知识表达育式的选择经过多次和专家交换意见以及阅读有关资料，知识工程师逐渐熟悉这个专门领域中的专门知识以后，就可以选择合适的知识表达方法。

所选择的知识表达方法应该具有以下两个性质：a.一具有表达专家知识的能力；b.能简单和方便地描述、修改和解释系统中的知识。

此外还需要在以计算机表达知识的方便性和结构的复杂性之间加以平衡。

(3)专家系统的建立a.知识库初步设计。

这又包括以下三个主要步骤：问题定义：规定目标、约束、知识来源、参加者以及他们的作用。

概念化：详细叙述向题如何分解成子问题；从假设、数据、中间推理、概念等方面来说明每个子间题的组成；这些概念化如何影响可能的执行过程。

问题的计算机表达：为在概念化阶段中确定了的子问题的各个组成部分选择表达方式。

这是第一个要求计算机执行的阶段。

在这一阶段中信息流的研究以及概念和数据的连接将更为完善。

b.原型的发展和实验一旦选定了知识表达方法，就可以着手执行整个系统所需知识的原型子集。

这个子集的选择是关键性的。

它必须包括有代表性的知识样本，这些知识样本对整个模型来说是有典型意义的，同时又必须只涉及对试验是足够简单的子任务和推理过程。

一旦原型产生了可接受的推理，这个原型就要扩展以包括它必须解释的各种更为详细的问题。

然后，用更复杂的情况来进行试验。

这些比较复杂的情况以后将被用作改善知识库时的标准试验集。

这些试验的结果一定会对间题的基本组成以及它们之间的关系作出许多调整。

c.知识库的改进和推广如果要达到专家那样很高的水平，这个阶段将要花费相当长的时间。

然而，经过几个月的努力，有可方面，达到令人相当满意的性能。

5、专家系统在机械制造领域中的应用实例机械制造中的工艺设计是结构设计与制造间的纽带。

由于工艺设计的复杂程度很高，长期以来都由人工来完成。

西安交通大学的XJDCAP是一工艺设计专家系统，它采用框架来描述零件和记录工艺设计结果，用产生式规则表示车、铣、钻、磨、热处理工艺设计中的决策知识，用反向设计方式，进行模糊推理，可输出合理完善的工艺文件及CNC机床程序。

下面简略地介绍此系统的情况。

5.1.XJDCAP系统的组成系统的组成见图2。

系统采用GCLISP语言编写，以回转体零件为主要对象，工艺设计系统的输入为零件模型，输出为工艺文件。

系统的输入和输出由框架处理模块完成，设计由工艺决策模块和规则集完成，数据库作为系统的支持工具。

系统中由零件模型和规则集组成知识库。

图3XJDCCAP系统组成图5.2.零件的描述回转体零件的形体组成可分成两部分：基本形体及其特征要素。

系统的基本形体包括：外圆柱、外圆锥、成形面、内圆柱孔、内圆锥孔等；特征要素包括内外倒角、内外螺纹、内外圆角、内外割槽、端面槽、滚花、键槽、外平面、轴向或径向辅助孔。

零件的信息可以表示为一棵树，具有树干、树枝和分枝……。

树形的数据组织和框架的形式一样，所以选用框架来形成零件的设计模型，它以嵌套的联合表形式存入计算机中.用框架表示零件的模型可使零件描述得完整、准确、并易于建立、修改和检索，也易于被产生式系统所接受。

系统枢架与标准框架结构的区别是联结表的嵌套层次可以变化。

5.3.工艺设计过程(1)规则基工艺设计知识用产生式规则表示，其形式为：（RULEnumber IF condition THEN Action cfv），其中number为规则号，conditions是条件，可以是多层的AND、OR、NOT嵌套，action是结论，可以是多条，cfv是可信度，值从-1到+1。

若规则无cfv值则为纯规则，用来选用其它规则或确定其它参数。

系统中有300多条规则，按类存贮和调用，以提高搜索效率，规则分如下几类：1、毛坯选择规则.2、最终加工方法选择规则3、工序内容确定和排序规则4、机床选择规则5、装夹方式选择规则6、加工余量确定规则7、切削用量选择规则(2)推理与搜索系统采用反向推理方式，即从零件的最终形状和技术参数开始，逐步安排可达到当前零件状态的加工工序，并不断修改零件模型，直到零件不再需要加工形成毛坯为止。

这样的反向推理方式与人的设计思维过程接近。

而且零件的设计要求作为唯一的目标，避免了盲目性，易保证质量。

最终加工方法确定，对于每一基本形体，按照工件材料和它的技术要求等等因素，适用的加工方法可能不止一个。

系统采用逆向推理获得最佳解。

即用目的制异规则给出该基本形体可能的加工方法，把这些加工方法再作为假设结论(目的)，然后调用可形成这个结论的规则，判别规则中的条件是否存在。